JP2018077151A - 電力系統における対地静電容量の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地絡方向継電器の動作感度を設定するための対地静電容量を高精度に算出する。【解決手段】 非接地系電路に接続された接地変圧器１３の三次側に制限抵抗Ｒ１を常時接続すると共に、接地変圧器１３の三次側に接続され、非接地系電路の対地静電容量を測定するためのスイッチ１５および測定抵抗Ｒ２を具備した電力系統における対地静電容量の測定装置１４であって、接地変圧器１３の三次側全体インピーダンスにより流れる電流よりも、測定抵抗Ｒ２に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正することにより、スイッチ投入前後の接地変圧器１３の一次側零相電圧の位相差に基づいて対地静電容量を算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力系統における非接地系電路に発生した地絡事故を検出するため、非接地系電路に設けられた地絡方向継電器の動作感度を設定するのに必要な対地静電容量を算出する測定装置に関する。

電力系統における非接地系電路の地絡事故は、その地絡事故により発生した零相電圧が、非接地系電路に設けられた地絡方向継電器の閾値を超えることにより検出される。この零相電圧は、非接地系電路の対地静電容量によって大きく変化し、その対地静電容量は、非接地系電路の増設などの構成変更によって変化する。これにより、その都度、地絡方向継電器の動作感度（閾値）を再設定する必要がある。

この地絡方向継電器の動作感度設定は、人工地絡試験の実施により行っていた。この人工地絡試験では、所定の地絡抵抗で一線地絡を起こさせ、この時の地絡方向継電器用の接地変圧器の三次側零相電圧を測定し、これを地絡方向継電器の動作感度として設定するようにしている。

しかしながら、人工地絡試験は、活線状態の高圧線に試験装置を直接に接続するため危険を伴い、地絡電流発生用の高圧トランスを持ち運び数人で行う大掛かりな作業である。

そこで、危険で大掛かりな作業となる人工地絡試験を実施することなく、地絡方向継電器の動作感度を設定するのに必要な対地静電容量を簡易に算出できる対地静電容量の測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された測定装置は、スイッチおよび測定抵抗で構成され、非接地系電路に接続された接地変圧器の三次側に接続される。また、この接地変圧器の三次側には、共振防止および高調波抑制のための制限抵抗が常時接続されている。

この測定装置では、スイッチの投入前後で接地変圧器の三次側零相電圧を測定し、そのスイッチの投入前後での三次側零相電圧の位相差を演算処理することにより、非接地系電路における三相一括の対地静電容量を算出するようにしている。

特許第５６３８２８９号公報

ところで、非接地系電路に接続された接地変圧器は、変電所内の電気室に設置されるものである。この接地変圧器の三次側に測定装置を接続するに際して、スペースの制約を受ける場合、測定装置を接地変圧器から遠方に離隔した場所に設置しなければならない。そのため、接地変圧器と測定装置を接続するケーブルが２０〜５０ｍ程度と長くなる。

このように、接地変圧器と測定装置を接続するケーブルが２０〜５０ｍ程度と長くなると、ケーブルの線路インピーダンス、スイッチ接点の接触抵抗などからなる接地変圧器の三次側回路インピーダンスが変化し、対地静電容量の算出に大きく影響する。つまり、スイッチ投入後の接地変圧器の三次側零相電圧の位相に与える影響で測定誤差が発生する。

この測定誤差を減少させるため、特許文献１に開示された測定装置では、ケーブルの線路インピーダンス、スイッチ接点の接触抵抗などを含む接地変圧器の三次側回路インピーダンスと、接地変圧器の内部インピーダンスとを分けて計算することにより、地絡方向継電器の動作感度を設定するための対地静電容量を算出するようにしている。

しかしながら、特許文献１に開示された測定装置では、スイッチの投入前において制限抵抗の両端に現出する接地変圧器の三次側零相電圧の位相角と、スイッチの投入後において制限抵抗の両端に現出する接地変圧器の三次側零相電圧の位相角とを実測しなければならない。

このように、特許文献１に開示された測定装置では、ケーブルの線路インピーダンス、スイッチの接点での接触抵抗などを含む接地変圧器の三次側回路インピーダンスのリアクタンス成分による位相遅れを考慮していることにならない。その結果、三次側回路インピーダンスのリアクタンス成分による位相遅れで、地絡方向継電器の動作感度を設定するための対地静電容量を算出する上で誤差が生じる可能性があった。

そこで、本発明は前述の改善点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、地絡方向継電器の動作感度を設定するための対地静電容量を高精度に算出し得る電力系統における対地静電容量の測定装置を提供することにある。

本発明に係る対地静電容量の測定装置は、非接地系電路に接続された接地変圧器の三次側に制限抵抗を常時接続すると共に、接地変圧器の三次側に接続され、非接地系電路の対地静電容量を測定するためのスイッチおよび測定抵抗を具備する。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、接地変圧器の三次側全体インピーダンスにより流れる電流よりも、測定抵抗に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正することにより、スイッチ投入前後の接地変圧器の一次側零相電圧の位相差に基づいて対地静電容量を算出することを特徴とする。

本発明における位相補正は、スイッチ投入前後の接地変圧器の三次側零相電圧の位相差から、スイッチ投入前後の接地変圧器の一次側零相電圧の位相差を算出することにより実現可能である。

本発明の測定装置では、接地変圧器の三次側全体インピーダンスにより流れる電流よりも、測定抵抗に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正する。この位相補正により、スイッチ投入前後の接地変圧器の一次側零相電圧の位相差に基づいて対地静電容量を算出する。

このように、本発明の測定装置では、接地変圧器の三次側回路インピーダンスのリアクタンス成分による位相遅れを考慮することで、地絡方向継電器の動作感度を決定するための対地静電容量を高精度に算出することができる。

本発明によれば、接地変圧器の三次側全体インピーダンスにより流れる電流よりも、測定抵抗に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正することにより、スイッチ投入前後の接地変圧器の一次側零相電圧の位相差に基づいて対地静電容量を算出することで、地絡方向継電器の動作感度を決定するための対地静電容量を高精度に算出できる。その結果、高精度で信頼性の高い対地静電容量の測定装置を提供できる。

本発明に係る対地静電容量の測定装置の実施形態で、スイッチ投入前の状態を示す概略構成図である。 本発明に係る対地静電容量の測定装置の実施形態で、スイッチ投入後の状態を示す概略構成図である。 電力系統における非接地系電路を示す回路図である。 接地変圧器の一次側零相電圧の位相関係を示すベクトル図である。 図２の等価回路である。 測定装置、地絡相選択継電器および地絡方向継電器を示す構成図である。

本発明に係る対地静電容量の測定装置の実施形態を図面に基づいて以下に詳述する。

電力系統における電源側変圧器１１から延びる非接地系電路１２は、図３に示すように、電源側変圧器１１における各相の対地電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃに対して、対地静電容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃを持つ。なお、図中のＶｏは対地電圧および対地静電容量の不平衡により発生した零相電圧である残留電圧であり、Ｒｎは接地変圧器の三次側全体のインピーダンスを一次側換算した中性点インピーダンスである。

ここで、非接地系電路１２において、中性点を基準にしたキルヒホッフの法則は、

で表される。この（１）式から、残留電圧Ｖｏは、

として求まる。なお、この（２）式において、非接地系電路１２における三相一括の対地静電容量をＣｓとしている。

図１および図２に示すように、非接地系電路１２（図３参照）に接地変圧器１３（ＧＰＴ）を接続する。この接地変圧器１３の三次側には、共振防止および高調波抑制のための制限抵抗Ｒ１が常時接続されている。

また、対地静電容量Ｃｓの測定時、接地変圧器１３の三次側には、地絡方向継電器の動作感度を設定するのに必要な対地静電容量Ｃｓを算出するための測定装置１４が接続される。この測定装置１４は、スイッチ１５および測定抵抗Ｒ２で構成されている。

なお、図１は、測定装置１４におけるスイッチ１５の投入前の状態を示し、図２は、測定装置１４におけるスイッチ１５の投入後の状態を示す。

電源側変圧器１１の対地電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃと対地静電容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃは、短期的に一定とみなすことができる。そこで、測定装置１４のスイッチ１５をオンオフすることにより、中性点抵抗Ｒｎをわずかに変化させ、それに伴う残留電圧Ｖｏの変化分から、地絡方向継電器の動作感度を設定するための対地静電容量Ｃｓを算出する。

接地変圧器１３の一次側零相電圧である残留電圧Ｖｏは、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘの影響を受けるため、スイッチ１５の投入前後で以下のようになる。

図１に示すように、スイッチ１５の投入前の状態では、三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘおよび測定抵抗Ｒ２を考慮する必要がなく、接地変圧器１３の内部インピーダンスＲｏ＋ｊＸｏおよび制限抵抗Ｒ１のみを考慮すればよい。ここで、

とおくと、スイッチ投入前の残留電圧Ｖｏは、（２）式から、

となる。

一方、図２に示すように、スイッチ１５の投入後の状態では、接地変圧器１３の内部インピーダンスＲｏ＋ｊＸｏおよび制限抵抗Ｒ１に加えて、三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘおよび測定抵抗Ｒ２を考慮する必要がある。ここで、

とおくと、スイッチ投入後の残留電圧Ｖｏ’は、（２）式から、

となる。

スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相関係は、図４のようになる。同図に示すように、スイッチ投入前の残留電圧Ｖｏの位相角をθ、スイッチ投入後の残留電圧Ｖｏ’の位相角をθ’とすると、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相角θ，θ’は、（４）（６）式の分母から、図４に示すように、

となる。従って、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相差をα（＝θ−θ’）とすると、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相差αは、

となる。

この（８）式に基づいて、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相差αから、対地静電容量Ｃｓ（アドミタンスωＣｓ）を算出する。（８）式をアドミタンスωＣｓの二次関数（二次方程式）として表すと、

となる。ここで、ωＣｓ項の各係数をａ，ｂ，ｃとすると、

となる。

前述の（９）式の二次方程式の根（正の値）として、対地静電容量Ｃｓ（アドミタンスωＣｓ）は、

で求められる。

この実施形態の測定装置１４は、接地変圧器１３の三次側零相電圧を計測電圧ｖｏ，ｖｏ’として実測する。前述したスイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相差αは、接地変圧器１３の一次側零相電圧の位相差であるため、接地変圧器１３の三次側零相電圧である測定装置１４の計測電圧ｖｏ，ｖｏ’を位相補正する必要がある。

そこで、測定装置１４により実測された計測電圧ｖｏ，ｖｏ’（接地変圧器１３の三次側零相電圧）に基づいて、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘにより流れる電流よりも、測定抵抗Ｒ２に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正する。

この位相補正により、スイッチ投入前後の測定装置１４の計測電圧ｖｏ，ｖｏ’（接地変圧器１３の三次側零相電圧）の位相差σ，σ’から、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’（接地変圧器１３の一次側零相電圧）の位相差α（＝θ−θ’）に基づいて対地静電容量Ｃｓを算出する。

図１に示すように、スイッチ１５の投入前の状態では、三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘおよび測定抵抗Ｒ２を考慮する必要がなく、接地変圧器１３の内部インピーダンスＲｏ＋ｊＸｏおよび制限抵抗Ｒ１のみを考慮すればよい。従って、スイッチ投入前の計測電圧ｖｏと、スイッチ投入前の残留電圧Ｖｏとの関係は、

となる。よって、スイッチ投入前の計測電圧ｖｏの位相σと、スイッチ投入前の残留電圧Ｖｏの位相θとの関係は、（１２）式と（３）式から、

となる。

一方、図２に示すように、スイッチ１５の投入後の状態では、接地変圧器１３の内部インピーダンスＲｏ＋ｊＸｏおよび制限抵抗Ｒ１に加えて、三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘおよび測定抵抗Ｒ２を考慮する必要がある。

ここで、スイッチ投入後における図２の等価回路を図５に示す。従って、スイッチ投入後の計測電圧ｖｏ’と、スイッチ投入後の残留電圧Ｖｏ’との関係は、

となる。なお、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４は、

であることから、（１４）式は、

で表される。ここで、

とおくと、スイッチ投入後の計測電圧ｖｏ’の位相σ’と、スイッチ投入後の残留電圧Ｖｏ’の位相θ’との関係は、（１２）（１３）式の場合と同様、（１６）式と（１７）式から、

となる。

従って、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相差α（＝θ−θ’）を、スイッチ投入前後の計測電圧ｖｏ，ｖｏ’の位相差（σ−σ’）で表すと、（１３）式と（１８）式から、

となる。この（１９）式に基づく位相補正により、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’（接地変圧器１３の一次側零相電圧）の位相差αに基づいて対地静電容量Ｃｓを算出することができる。

以上のようにして、接地変圧器１３の三次側全体インピーダンスにより流れる電流よりも、測定抵抗Ｒ２に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正することにより、スイッチ投入前後の残留電圧Ｖｏ，Ｖｏ’の位相差αに基づいて対地静電容量Ｃｓを算出する。

このように、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスＲｘ＋ｊＸｘのリアクタンス成分による位相遅れを考慮することで、地絡方向継電器の動作感度を設定するための対地静電容量Ｃｓを高精度に算出することができる。

ところで、地絡方向継電器の動作感度は、以下のようにして設定される。つまり、接地変圧器１３の一次側零相電圧である残留電圧Ｖｏを起点として、対地静電容量Ｃｓに基づいて各相の動作電圧値（閾値）を決定することにより動作感度を設定している。

この残留電圧Ｖｏと対地静電容量Ｃｓとは、図６に示すように、測定装置１４から通信ケーブルを介して地絡相選択継電器１６に送信される。地絡相選択継電器１６では、対地静電容量Ｃｓに基づいて各相の動作電圧値を演算し、残留電圧Ｖｏを起点する地絡方向継電器１７の動作感度を設定する。

ここで、対地静電容量Ｃｓを算出するためには、測定装置１４におけるスイッチ１５のオンオフ動作を必要とする。このことから、そのオンオフ動作の繰り返しに基づくスイッチ１５の機械的寿命の点で、対地静電容量Ｃｓのデータを測定装置１４から地絡相選択継電器１６へ送信する回数に制約を受け易い。

一方、測定装置１４で算出された対地静電容量Ｃｓは、非接地系電路１２の増設などのような電力系統の構成変更がない限り大きく変動することはない。これに対して、残留電圧Ｖｏは、系統電圧の変動により細かく変動する。

そこで、この測定装置１４では、対地静電容量Ｃｓを長周期（例えば、週に１回）ごとに算出して地絡相選択継電器１６に送信する一方、残留電圧Ｖｏを短周期（例えば、数分）ごとに地絡相選択継電器１６に送信する。つまり、測定装置１４では、対地静電容量Ｃｓと残留電圧Ｖｏを個別に地絡相選択継電器１６に送信する。

このように、測定装置１４から地絡相選択継電器１６へのデータ送信を個別に行うことにより、測定装置１４のスイッチ１５のオンオフ動作の繰り返し回数を低減でき、スイッチ１５の長寿命化が図れる。また、残留電圧Ｖｏを短周期で送信することにより、系統電圧の変動に伴う残留電圧Ｖｏの変動に速やかに対応することが可能となる。その結果、信頼性の高い長寿命の測定装置１４を実現できる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１２ 非接地系電路
１３ 接地変圧器
１４ 測定装置
１５ スイッチ
Ｒ１ 制限抵抗
Ｒ２ 測定抵抗

Claims (2)

1. 非接地系電路に接続された接地変圧器の三次側に制限抵抗を常時接続すると共に、前記接地変圧器の三次側に接続され、前記非接地系電路の対地静電容量を測定するためのスイッチおよび測定抵抗を具備した電力系統における対地静電容量の測定装置であって、
   前記接地変圧器の三次側全体インピーダンスにより流れる電流よりも、前記測定抵抗に流れる電流が遅れ位相となることを加味して位相補正することにより、スイッチ投入前後の接地変圧器の一次側零相電圧の位相差に基づいて対地静電容量を算出することを特徴とする電力系統における対地静電容量の測定装置。
2. 前記位相補正は、スイッチ投入前後の接地変圧器の三次側零相電圧の位相差から、スイッチ投入前後の接地変圧器の一次側零相電圧の位相差を算出する請求項１に記載の電力系統における対地静電容量の測定装置。

Images